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获得诺贝尔奖的华人:一个激光技术一个光学光纤

OFweek激光网 2013-09-16 13:56 发文

  诺贝尔奖自1901年颁发以来,共有八位华人获诺贝尔科学奖,他们分别是李政道、杨振宁、丁肇中、李远哲、朱棣文、崔琦、钱永健和高锟。

  1957年,李政道和杨振宁因“发现宇称原理的破坏”而被授予诺贝尔物理学奖。

  1976年,丁肇中因“发现一类新的基本粒子”而获得诺贝尔物理学奖。

  1986年,李远哲因“发明了交叉分子束方法使详细了解化学反应的过程成为可能,为研究化学新领域—反应动力学作出贡献”而获得诺贝尔化学奖。

  1997年,朱棣文因“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”荣获诺贝尔物理学奖。

  1998年,崔琦与德国的霍斯特·斯托尔默和美国的罗伯特·劳克林因在量子物理学研究做出的重大贡献而获诺贝尔物理学奖。

  2008年,美籍华裔科学家钱永健与日本人下村修以及美国人马丁·沙尔菲共同获得诺贝尔化学奖。

  2009年,英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家共同获得诺贝尔物理学奖。高锟获奖,是因为他在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性成就。

  以下,OFweek激光网将简要介绍朱棣文和高锟。

  一、朱棣文因“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”

  朱棣文(1997年获物理学奖)获奖理由:因“发展了用激光冷却和捕获原子的方法”而获得1997年诺贝尔物理学奖。

  朱棣文(1948.2)男,祖籍江苏太仓,生于美国密苏里州圣路易斯。汉族,1997年获诺贝尔物理学奖。中国科学院外籍院士,美国第56届当选总统奥巴马提名美国能源部长。

朱棣文在清华大学演讲

  朱棣文的父亲朱汝瑾是太仓人,母亲李静贞是天津人,他的祖父母也是太仓人。他们40年代来到美国育有三子,都学有所成。朱棣文排行老二。在太仓创建了朱棣文小学,1998年曾经访校一次。

  朱棣文1970年毕业于罗切斯特大学,获数学学士和物理学学士学位,1976年获加利福尼亚大学伯克利分校物理学博士学位,后留校做了两年博士后研究,1978年到贝尔电话实验室工作,1983年任该实验室量子电子学研究部主任。1987年任美国斯坦福大学物理学教授,1990年任该校物理系主任。1993年6月被选为美国国家科学院院士。1997年因“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”荣获诺贝尔物理学奖,与他同获该奖项的是美国科学家威廉-菲利普斯和一法国科学家科昂-塔努吉。还曾获费萨尔国王国际科学奖。1998年6月5日,当选为中国科学院外籍院士。2004年6月被任命为位于加利福尼亚州的美国能源部下属的劳伦斯·伯克利国家实验室主任。2008年获得美国第56届当选总统奥巴马提名出任美国能源部长。

  朱棣文高中毕业时,父亲本不赞成他选择物理学,认为善於绘画的他应该去学建筑,因为物理学界高手太多,不易出成就,而且做实验是枯燥无味的,然而朱棣文却对物理学情有独钟,学问做得津津有味。从1983年起朱棣文开始从事原子冷却技术的研究,1985年发表第一篇学术论文。他荣获诺贝尔奖的科研项目的主要工作是1987年到1992年期间在斯坦福大学完成的。

  朱棣文从事的是目前世界上最尖端的激光致冷捕捉技术研究,有着非常广泛的实际用途,这项研究为帮助人类了解放射线与物质之间的相互作用,特别是深入理解气体在低温下的量子物理特性开辟了道路。在原子与分子物理学中,研究气体的原子与分子相当困难,因为它们即使在室温下,也会以上百公里的速度朝四面八方移动,唯一可行的方法是冷却,然而,一般冷却方法会让气体凝结为液体进而结冻。朱棣文等3位学者则利用激光达到冷却气体的效果,即用激光束(molassos)达到万分之一绝对温度,等于非常接近绝对零度(摄氏零下273度)。原子一旦陷入其中,速度将变得非常缓慢,而变得容易俘获。该技术可以用来做精确测量,特别是做“重力测量”;人们还可以利用此技术做成重力分析图,由此解开地球上的许多谜团:例如观察油田的内层、勘探海底或地层内的矿物质,在生物科技上可以解读去氧核糖核酸(DNA)的密码;科学家还可以借此研究“原子激光”,制造精密的电子元件;也可以测量万有引力,进一步发展太空宇航系统,进行准确的地面卫星定位。科学家们普遍认为,这的确是一个了不起的研究成果。

  朱棣文曾多次访问中国。1998年6月,他当选为中国科学院外籍院士。朱棣文坦言,他一生有一个很大的遗憾,因为有一样东西他始终没有学好,这就是中文。朱棣文七八岁的时候,父母曾想过送他去学中文,但那时的他不想和周围的人不一样,也不想每个星期天早上到中文学校去,所以就很反抗。“现在回想起来,我希望那时父母能和我说中文,也希望当时我能继续上中文学校,或者进行类似的中文学习。”

  朱棣文是在中西文化共同浸染下成长起来的,他继承了中西文化的精髓,他的内心深处既有西方人的率真、幽默,也有东方人的谦虚、含蓄。他不是那种木讷型的科学家,而是一个性格活泼开朗、充满风趣的人。

  在1993年5月就当选为美国科学院院士的朱棣文平时很少提及自己的研究成就,甚至在父母面前也从不提起。他的母亲说:“以前他每次得奖从不告诉我们,都是我的朋友看到报道后,剪下来寄给我的。”

  在获知得到诺贝尔奖的当天,他仍平静如常地去上课。他说,“当我想到还有更多的优秀科学家,特别是比我强的科学家还没有获奖时,我自然就不应该把这项奖看得有多重,我只是运气比较好而已。”朱棣文的父母亲则说:“身为父母,有子荣获诺贝尔奖,当然非常开心,更重要的是,他替中国人争了光。”

  替中国人争光-这是旅居海外的炎黄子孙的共同心愿,也是我们中华民族团结奋进、生生不息、永远向上、永葆青春的巨大精神力量。1997年11月2日,正在美国访问的江泽民主席在洛杉矶亲切会见了朱棣文,他请朱棣文经常回国看看,朱棣文说,他已经去过中国两次,很愿意为促进美中两国科技交流做出努力。1997年11月4日,中国科协书记处书记徐善衍在斯坦福大学会见了朱棣文。朱棣文在他的办公室热情接待了徐善衍率领的中国科协代表团。朱棣文向中国方面建议,要多培养人才,对工作努力、有成就的人要给予奖励,以鼓励大家的奋发向上精神。

  二、高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性成就

  1970年,美国康宁公司成功地研制出光纤。1972年,这家公司研制出第一条1公里长的光纤;1982年,光纤的第一个商业系统在英国和美国正式运行;到1992年,光纤有了大规模的生产和世界性的应用,为人类信息时代打开了大门,成为今天网络社会的科学基础。从此,文字、音乐、照片和录像,不足一秒就可以传遍全球。这都要归功于华裔物理学、诺贝尔物理学奖获得者高锟。

  小学时期,在家设立“神秘实验室”

  1933年11月4日,高锟出生于上海附近的金山县(现在改为上海市金山区)张堰古镇一个书香之家。和许许多多在科学事业上大有成就的人一样,高锟从小喜欢动手。在小学六年级的时候,他就与一位姓周的同学在他家的楼上做起化学实验来了。化学原来不是小学的课程,可是化学反应的千变万化、美丽的色彩和奇异的效果,深深吸引了他们。可是他们两家的父亲都是律师,对自然科学知道得不多,没有可能指导他们,于是他们私下买了一些通俗的化学书看,还买了一些简单的化学制品自己动手做实验。

  后来,他们发明了一种“泥球炸弹”。他们把红磷和氯酸钾混合起来,填进湿润的泥土里,把它们晾干以后就制造出“泥球炸弹”。高锟是这样想的:红磷是易燃物质,氯酸钾是强力氧化剂,把它们混合起来,只要稍加摩擦就会燃烧爆炸。因此把干了的泥球炸弹扔向地面或墙上,泥球炸弹就会自动爆炸。当他们把炸弹扔到猫或者狗附近的地面时,突然的爆炸把它们吓得半死,这种情况让两个小家伙笑得腰都直不起来。后来由于不小心,高锟的一个堂哥在观看他们的化学实验时,被意外溅出的酸性液体烧伤了手,父母才惊讶地得知他们偷偷地做化学实验。在父母严命之下,他们肆无忌惮的化学实验从此结束。

  光纤之父高锟

  但是好动手的高锟不肯就此罢休,在化学实验被禁止以后,他对无线电又发生了极大的兴趣。经过不少挫折以后,他最终制作出一个简单的收音机。当他从耳机里收到电台广播时,他的兴奋真是难于言表。后来他还成功组装过有五六个电子管的收音机。在自述里他写道:“……那感觉真是妙极了。在什么也没有的空气里,竟然可以蕴藏音乐,简直是魔术。”

  留学伦敦,想要做个电机工程师

  1948年一个昏暗的秋日,高锟一家离开了上海来到香港。到香港以后,高锟和弟弟由二舅介绍,都进入香港圣若瑟书院中学部。这是一所很好的学校,它的中学部现在已经在香港排名前六位左右。这所学校的校训是“Labore et Virtute(拉丁文)”,中文意思是“勤劳与美德”。

  高中学习顺利结束后,高锟决定选择电机工程作为自己大学学习的方向。他说:“虽然我对化学很入迷,但我还是想做个电机工程师。”但是那年香港大学电机工程系不招生,于是他选择了英国伦敦大学的伍利奇理工学院。

  在伦敦留学期间,高锟买了一些必要的设备,干起了相片冲洗业务。虽然这个业务收入不多,但是正如他后来自己所说:“我简陋的冲洗间,见证了我真正独立的第一步,我不但解决了一些财政困难,还让我在工程技术上派上了用场。”还有一个意外的收获是他成为伦敦大学同学会在议会大楼活动的“官方摄影师”!

  1957年,高锟结束了大学课程的学习,顺利毕业,毕业典礼在皇家阿尔伯特厅举行。身为伦敦大学校监的伊丽莎白王太后亲自主持毕业典礼,数以千计的毕业生一个一个都要在太后面前举帽致敬,然后接受毕业证书。整个过程中年已57岁的王太后一直保持和颜悦色、满面笑容、彬彬有礼,完全没有一点倦意或者懈怠。高锟后来主持过一次香港中文大学同样的仪式的时候,才深深知道当年王太后能够坚持完成整个仪式,“是如何难能可贵”啊!

  初入职场,提出“异想天开”的设想

  1957年高锟获得工程学士学位,是人生的一个最重要里程碑。毕业后,他到标准电话与电报公司工作,这家公司是美国国际电话电报公司在英国的一家子公司。1960年,高锟在这家公司附属的标准电信实验室工作。

  20世纪是科学技术迅猛发展的时代,由于电子技术的崛起和发展,人类迅速由工业社会进入到信息社会,对于信息量的需求越来越大,对信息的传递速度也越来越高。这时,作为传递载体的“电子”开始力不从心,远远不能满足人类对传递速度和容量的需要。于是科学家开始把目光转向另一个信息载体--光波。

  从理论上来讲,光波的频率比无线电波的频率高出上千倍。这意味着如果用光波作为传播信息的载体,那传播的速率和传输的容量将会提高上千万倍。这是多么诱人的前景啊!但是科学家长期以来没有办法控制光波传播的路径。因此在1960年代以前,通信技术仍然是电子和无线电一统天下,很少有人对光通讯抱有幻想。但是到了激光技术在1959年发现以后,由于激光能够发射高强度和高聚焦的光源,因此可以把它泵入很细的光纤,再加上这种光源十分稳定,这就为科学家实现光通讯技术突破带来了无限生机,光通讯技术的研究也由此进入工作日程。

  1960年,高锟调到标准通讯实验室工作时,开始探寻如何用光波来传送信息。他认为,用光波传送的信息量,可以比当时用微波的传送量增加1万倍。他还指出,用光传送信息不是将光由A点射到B点就完事了,关键是要找到一种导体,以保证和保持光从A点到B点时不会受到任何阻碍。这个设想的关键是有没有足够透明的导体来完成传送光波的任务。所以他的首要任务就是找到适合传送光波的导体。在此后6年的研究中,高锟发现“石英基玻璃纤维”就是适用于传送光波用的导体(简称光纤,即光导纤维)。

  喜遇伯乐,推动“光纤的技术革命”

  1966年7月,高锟在《英国电子工程师学会学报》上发表了他的文章:“介电波导管的光波传送”。在这篇划时代的文章里,他开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理,描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说,光在光纤中的传输损耗主要来源于材料中的杂质,而不是纤维结构的不完善;玻璃必须加以提纯,高纯度的石英光纤传输损耗可以降到很低。他还具体计算出光在这种光纤中的传输距离可达100公里以上。他认为制造一种前所未有的透明玻璃是可以实现的,虽然当时还不清楚具体应该怎样做。

  就在科学界为高锟论文的可行性发生争论期间,英国邮政部有一位总裁高屋建瓴,相信高锟的设想有可能实现,并立即拨给他经费,这才使得高锟得以在困境中把实验研究进行下去。在这段研究期间,高锟可以说是日思夜想、殚精竭虑,正如他自己所说:“对我的研究计划,我无时无刻不记挂于心,深信新的发现将对业界产生深远的影响。即使晚上离开实验所回到家里,怎样提高玻璃的透明度,用什么方法进行实验,如何运用复杂的数学运算证明我的理论,始终萦绕脑际,不论醒着还是在睡梦中,种种问题仍挥之不去。很多时候,午夜梦回,新的想法一闪现,我就迫不及待要告诉睡得昏昏沉沉的妻子美芸。”

  她会在朦胧中说:“趁你还记得,你就把它们写下来吧。”高锟后来回忆说:“美芸在大学时接触过有关的物理理论,理所当然成为我第一个倾诉对象。跟她解说,有助我理清思路,并运用不那么技术性的方法解释我的意念。有时她会指出一两个关键问题,是我从未想过的。当时她正在电脑部门,负责编写软件程式,解决我们交付过去的数学方程式。”

  此后在争论及实验不断地改进中,高锟的设想逐步变成现实:利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛,全世界掀起了一场光纤通信的革命。1970年,美国康宁公司成功地研制出光纤。1972年这家公司研制出第一条1公里长的光纤;1982年光纤的第一个商业系统在英国和美国正式运行;到了1992年,光纤已经有了大规模的生产和世界性的应用,为人类信息时代插上了双翅。

  从此,文字、音乐、照片和录像,不足一秒就可以传遍全球。高锟也因此被称为“光纤通讯之父”。

  抛却烦恼,诺贝尔奖来得有点迟

  2009年10月6日,诺贝尔委员会宣布高锟获得该年度诺贝尔物理学奖。但是知道高锟教授健康内情的人,都不免叹息说:“要是早几年获这个奖该多好!”原来从2004年初,高锟经过检查得知患上了老年痴呆症。这以后由于小脑的进一步萎缩,高锟的记忆和说话能力颇受影响。高锟获奖的消息传开后,妻子黄美芸在接受采访时伤心地说:“因为你们都知道这个人以前是怎样的,这个病将他改变,以前那个人已经走了,不再在这里……”

  在家中接受旧金山华语电视台访问时,黄美芸温柔地问他:“你知不知道你是光纤之父?而且获得诺贝尔奖了。”高锟一脸茫然,只是重复道:“光纤……光纤之父。”他看来已忘了自己心爱的尖端科学。采访的记者问高锟,妻子尽心照顾他,是否很爱她?高锟说了两次:“是,她很好的。”回应言简意赅,尽显深情。

  人们最担心的是他无法参加诺贝尔奖的授奖典礼,但黄美芸很有信心地说:“高锟一定会去瑞典领奖,毕竟这是极难得的荣誉。”

  黄美芸的预计没有错,高锟的健康状况允许他出席诺贝尔奖的颁奖盛典。瑞典国王知道高锟教授的病情,所以在颁发奖章和奖金时,他特意向高锟走过去,把奖章和奖金支票送到他的手上,而没有让他像别的获奖者那样走到舞台中央一个带有大大圆圈的N字中央。

  现在高锟夫妇定居美国加州旧金山附近的山景城,过着平淡而规律的生活。如今到了晚年,高锟的老年痴呆症加深,黄美芸要24小时贴身照顾。

  “光纤之父”忘了光纤,顶尖科学家变得像小孩子那样单纯,令许多人唏嘘不已。但高锟的中学同学李文彬却认为:“精明还是痴呆已不重要。他的脑袋已完成造福世人的任务。”他认为是上天为高锟安排了一个快乐的晚年--要高锟不用烦恼。

  人物资料:

  高锟,华裔物理学家,生于中国上海,祖籍江苏金山(今上海市金山区),拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份,目前在香港和美国加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家,华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”(Father of Fiber Optic Communications),曾任香港中文大学校长。2009年,与威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍德·史密斯共享诺贝尔物理学奖。

  科研成就

  1966年,高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理,描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说,只要解决好玻璃纯度和成分等问题,就能够利用玻璃制作光学纤维,从而高效传输信息。这一设想提出之后,有人称之为匪夷所思,也有人对此大加褒扬。但在争论中,高锟的设想逐步变成现实:利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛,全世界掀起了一场光纤通信的革命。随着第一个光纤系统于1981年成功问世,高锟“光纤之父”美誉传遍世界。

  高锟还开发了实现光纤通讯所需的辅助性子系统。他在单模纤维的构造、纤维的强度和耐久性、纤维连接器和耦合器以及扩散均衡特性等多个领域都作了大量的研究,而这些研究成果都是使信号在无放大的条件下,以每秒亿兆位元传送至距离以万米为单位的成功关键。

  举世公认高锟是提出用纤维材料传达光束讯号,以建置通信的第一人。高氏仍在英国求学的1960年代,大家已经知道讯息是可以用数字或模拟的方式传送。当时已有人研究,透过气体或玻璃传送光,期望可达到高速的传送效率,但无法克服讯号会严重衰减的问题。1965年,高氏对各种非导体纤维进行仔细的实验。按他分析,当光学讯号衰减率能低于每公里20分贝时,光束通信便可行。他更进一步分析了吸收、散射、弯曲等因素,推论被包覆的石英基玻璃有可能满足衰减需求达到波导。这项关键研究结果,推动全球各地连串运用玻璃纤维波导来通讯的研发工作。高锟是继李政道、杨振宁、丁肇中、李远哲、朱棣文、崔琦及钱永健之后,第八位获得诺贝尔科学奖的华裔科学家。

  奖项与荣誉

  获得奖项1976—1980

  1976年,美国硅酸盐学会“摩尼奖”(The Morey Award)

  1977年,美国富兰克林研究所“史特活·柏兰亭奖章”(The Stewart Ballantine Medal)

  1978年,英国兰克信托基金会“兰克奖”(The Rank Prize)

  1978年,美国电机电子工程师学会“摩理斯·H·利柏曼纪念奖”(IEEE Morris N. Liebmann Memorial Award)

  1979年,瑞典艾力松基金会“L·M·艾力松国际奖”(The L. M. Ericsson International Prize)

  1980年,美国军用通讯与电子协会(Armed Forces Communications and Electronics Association)“金章奖”(The Gold Medal)

  获得奖项1985—1989

  1985年,美国电机及电子工程师学会“亚历山大·格林姆·贝尔奖章”(IEEE Alexander Graham Bell Medal)

  1985年,美国马可尼基金会“马可尼国际科学家奖”(The Marconi International Scientist Award) 1985年,意大利热那亚市“哥伦布奖章”(The Columbus Medal) 1987年,日本通讯及计算机促进基金会“通讯及计算机奖”(The C & C Prize)

  1989年,英国电机工程师学会“法拉第奖章”(Faraday Medal)

  1989年,美国物理学会“詹姆斯·C·麦高第新材料奖”(James C. McGroddy Prize for New Materials)

  获得奖项1992—1999

  1992年,光学工程国际协会(SPIE)“协会金章奖”(Gold Medal of the Society)

  1995年,世界工程组织协会“杰出工程成就金章”(Gold Medal for Engineering Excellence)

  1996年,英国皇家工程学院“菲利普亲王奖章”(Prince Philip Medal)表扬“其开创性(研究)工作以导致光纤(通讯)的发明,并经其领导达至工程及商业化的实现,以及他在香港高等教育的杰出贡献”

  1996年,第十二届“日本国际奖”(日本国际赏)表扬“在宽带低损耗光纤通讯的开创性研究”的杰出贡献

  1999年,美国国家工程学会“查尔斯·斯塔克·德雷珀奖”(Charles Stark Draper),与莫拉(Robert D. Maurer)和麦克契斯尼(John B. MacChesney)共同获得

  获得奖项2000—2010

  2000年,《新闻周刊》“20世纪亚洲风云人物”,高锟与邓小平共同当选

  2006年,香港工程师学会“HKIE金章奖”(The HKIE Gold Medal)

  2009年,诺贝尔物理学奖,表扬“在纤维中传送光以达成光学通讯的开拓成就(for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication)”

  2010年,影响世界华人盛典科学研究类“影响世界华人大奖”
 

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